基于边界元法的近平板圆孔气泡动力学行为研究

研究了带有圆孔的平板附近气泡动力学特性. 基于不可压缩势流理论, 建立了平板圆形破口附近气泡运动数值模型, 并针对气泡初始位置距离破口很近而导致计算结果发散的数值缺陷, 采用气泡壁和壁面融合的方法, 将流场分离为两个半无限域问题进行求解, 实现了在不同无量纲参数范围内的数值模拟, 数值结果与实验结果符合良好. 通过对圆孔附近气泡运动特性的研究发现, 圆孔对气泡的影响基本与壁面相反, 在膨胀阶段对气泡产生腔吸作用, 收缩阶段产生排斥, 在特定的工况下会产生对射流现象. 最后分析了气泡壁与壁面融合, 流场分离后的气泡动态特性以及各工况参数对其影响规律. 关键词： 气泡 边界元 射流 圆孔     

有倾角的竖直壁面附近气泡与自由面相互作用研究

本文采用边界元方法, 研究了具有倾角的竖直壁面附近气泡与自由面的相互耦合作用. 首先基于不可压缩势流理论, 建立了边界元气泡动力学模型, 并针对无限壁面附近的气泡和自由面作用问题, 采用镜像法模拟了倾斜壁面的作用. 然后, 基于本文所建立的数值模型, 分别计算了不同倾角的壁面对气泡和自由面水冢形态的影响, 发现倾斜角度会导致自由面的边界条件不连续, 从而对其运动产生明显的非线性影响. 最后, 分别分析了无浮力和有浮力情况下倾斜角度对其影响规律. 关键词： 水下爆炸 气泡动力学 倾斜壁面 自由面     

气泡群的动态物理特性研究

假设气泡周围流场为无黏、无旋、不可压缩的理想流体，建立气泡群相互作用的三维数值模型.将多极快速傅里叶变换方法(FFTM)与高阶边界元法(HOBEM)相结合求解气泡群的运动，在达到同样计算精度时显著加快了边界积分方程的求解速度，可以在合理的时间内模拟气泡群的动态物理特性.同时为维持气泡群模拟过程中的数值稳定性，引入了弹性网格技术(EMT)，并用算例验证了数值模型及算法的有效性.基于建立的数值模型，研究了不同组合的气泡群之间的相互作用，模拟和解释了各类气泡运动的物理现象，讨论了影响气泡群膨胀、坍塌、迁移及射流 关键词： 气泡群 FFTM 射流 三维     

圆形破口附近气泡动态特性实验研究

以往对于壁面附近气泡动态特性的研究均是针对完整壁面进行的, 而对带破口壁面附近气泡运动特性的研究很少, 例如舰船结构在遭受药包爆炸冲击波作用后形成破口, 其仍可能会遭受随后生成气泡的二次打击, 破口的存在必定会影响爆炸生成气泡的动力学行为. 本文采用电火花气泡生成与观察实验装置, 对带有破口的壁面附近气泡脉动和射流特性进行研究.通过实验发现, 当气泡在破口同心位置生成时, 破口的存在会使气泡靠近破口一侧形成"腔吸现象", 并使气泡形成对射流. 在此基础上分析了破口大小和无量纲距离对破口附近气泡的影响规律, 最后讨论气泡在破口偏心位置生成时的运动特性, 结果发现破口附近气泡的二次打击威力随偏心距离的增加而增加, 文章旨在为不同边界附近气泡运动规律研究提供参考. 关键词： 气泡 实验 破口 射流     

气泡与自由液面相互作用的实验研究

气泡在不同边界附近运动时,其运动特性与在自由场中相比会发生很大变化,特别是当气泡在近自由面附近运动时, 与自由面发生强烈的耦合作用而产生极其复杂的水面现象.为探究其规律,在前人研究的基础上, 采用电火花生成气泡,利用高速摄影系统对气泡与自由液面的相互作用进行了实验观察和研究. 通过对大量实验数据的分析和整理,总结了自由液面的存在对气泡最大半径、脉动周期、射流时间以及射流宽度的影响, 并初步拟合了放电电压与气泡最大半径的关系.对不同水冢现象的具体过程进行了分类和详细的描述, 得出了发生不同水冢现象的决定因素,同时统计得到相同初始条件下水柱最大高度随无量纲距离的变化规律, 为气泡与自由液面相互作用的研究提供了参考.     

上浮气泡在壁面处的弹跳特性研究

本文针对毫米量级的上浮气泡在壁面处的弹跳现象进行数值研究.基于势流方法求解气泡的运动,同时考虑气泡的表面张力作用.在伯努利方程中,对气泡与壁面之间水膜中因黏性引起的压力梯度进行修正,开发相应的计算程序,计算值与实验值符合良好.从气泡弹跳的基本现象入手,研究了特征参数对气泡弹跳过程的动态特性以及最终平衡形态的影响.发现随着泡在撞击壁面之前上浮距离增大,气泡回弹距离和弹跳周期增加,但是当上浮距离增加到一定程度后将不会影响气泡的弹跳特性;表面张力是影响气泡弹跳特性的重要因素,气泡的弹跳周期随其增大逐渐减小,但回弹距离却呈现先增后减的规律;最后,影响气泡最终平衡形态的主要因素是气泡的浮力参数与韦伯数.     

气泡碰壁受力模型和反弹规律

对Mo=10-8~10-12及Re=5~750范围内的上升气泡与壁面垂直碰撞问题进行了理论求解，研究了不同控制参数下气泡碰壁反弹的规律.气泡上升和碰撞过程的运动方程考虑了浮力、液体阻力、附加质量力和与壁面碰撞时引起的薄膜诱导力.气泡碰壁过程气泡界面与壁面形成的液膜厚度变化规律由Stokes-Reynolds方程计算得到.膜内气泡变形引起的流体压强采用Young-Laplace方程求解.结果表明，基于SRYL方程的薄膜诱导力模型可以很好地预测不同Reynolds数下气泡0到多次的反弹轨迹，计算结果与实验结果吻合良好.气泡在碰壁反弹过程中会形成丰富的薄膜形状，如酒窝状变形，丘疹状变形和涟漪状变形.气泡界面变形会引起膜内压强的变化，压强的分布规律与气泡界面形状有着重要的关系.气泡在与壁面碰撞的过程中，薄膜诱导力会起主导作用，且随着Reynolds数的增加薄膜诱导力最大量级增大.气泡碰撞壁面时，反弹次数与Reynolds数有着直接的联系，不同Morton数下的气泡均在相同Reynolds数附近发生气泡反弹次数的变化.      

近自由面水下爆炸气泡的运动规律研究

基于边界积分法建立水下爆炸气泡与自由面耦合数值模型；并开发相应的计算程序，计算值与实验值符合较好.从气泡与自由面相互作用的基本现象入手，运用开发的程序系统地研究了近自由面水下爆炸气泡的动态特性，包括近自由面气泡的环状回弹及自由面的水冢现象；研究距离参数、浮力参数以及强度参数等特征参数与自由面Bjerknes效应之间的关系，总结相关规律，近自由面气泡的动态特性与这些特征参数有密切的关系.并在研究过程中，讨论了基于Kelvin-impulse理论的Blake准则的适用范围，并解释了Blake准则的失效的原因.     

近自由面水下爆炸气泡的运动规律研究

基于边界积分法建立水下爆炸气泡与自由面耦合数值模型；并开发相应的计算程序，计算值与实验值符合较好.从气泡与自由面相互作用的基本现象入手，运用开发的程序系统地研究了近自由面水下爆炸气泡的动态特性，包括近自由面气泡的环状回弹及自由面的水冢现象；研究距离参数、浮力参数以及强度参数等特征参数与自由面Bjerknes效应之间的关系，总结相关规律，近自由面气泡的动态特性与这些特征参数有密切的关系.并在研究过程中，讨论了基于Kelvin-impulse理论的Blake准则的适用范围，并解释了Blake准则的失效的原因. 关键词： 气泡 自由面 环状 水冢     

高粘度流体中上升气泡的直接数值模拟

本文将基于Front Tracking方法求解气液两相界面迁移特性的直接数值模拟方法扩展到中低Re数情形 (1．89≤Re≤55．6),针对无边界以及垂直壁面附近高粘度流体中单个气泡(1．2 mm≤D≤6 mm)的上升过程进行模拟,研究气泡运动的机理以及气泡与壁面的相互作用。数值模拟准确再现了气泡的上升过程和变形,不同Re数下气泡的上升速度计算结果同经验关联式非常吻合,验证了该方法在中低Re数范围内的有效性。壁面附近流场的不对称引发壁面对气泡的升力是导致气泡逐渐偏离垂直壁面的原因,计算得到的壁面作用力系数同实验结果的对比也确定了本文参数范围内计算壁面对气泡作用力的模型。     

含气量对黏性液体中空泡脉动特性的影响

采用自行研制的高灵敏度光偏转测试系统,研究黏性液体中激光空泡脉动特性.判定了空泡两次脉动对应的最大和最小泡半径,进而计算了激光空泡在前两次脉动过程中泡内的含气量.研究表明：泡内含气量对泡脉动特性有较大影响.随着脉动次数的增加,空泡泡内含气量增大.空泡最大泡半径随含气量的增加而增大.此外,受液体黏性影响,空泡膨胀和收缩过程明显变缓. 关键词： 含气量 黏性 激光空泡 脉动特性     

黏性液体中单个气泡上升的形状特性

采用基于Level Set方法的直接数值模拟技术对黏性液体中单个气泡的上升运动进行三维模拟.数值模拟采用拟单相流模型处理气泡内外的气液两相流动,应用Level Set方法捕捉运动气泡的变形.针对Eo数从O(0)～O(2),Mo数从O(-11)～O(2)的流动范围,重点研究了上升气泡的形状特性,并与经典的气泡形状图谱进行了比较.模拟结果表明,上升气泡的形状与无量纲参数(Eo、Mo和Re)密切相关.在高Re的扁椭球区域,数值发现了气泡形状的周期性振荡行为.     

两个等径蛋白质气泡在Bingham流体中振动特性

利用黏弹性膜构成的蛋白质气泡有限变形方程,并考虑一个气泡在Bingham流体中振动产生的Bjerknes力对另一个气泡振动特性的影响,建立了两个等径蛋白质气泡在Bingham流体中振动的非线性方程.利用数值计算方法求解该方程,结果表明,增加Bingham流体的塑性黏度,蛋白质气泡振幅衰减速度加快,振动周期增加,频率减小;当两个气泡间的距离减小时,气泡振动频率会增加,振幅衰减速度加快;初始半径小的气泡振动频率高,振幅衰减快,而且振动的频率和振幅衰减的速率越大;与单个气泡相比,两个蛋白质气泡在Bingham流体中振动时,振动具有更高的振动频率,而且振幅衰减速度更快.     

流体黏性及表面张力对气泡运动特性的影响

基于气泡边界层理论,引入黏性修正,采用边界积分法,考虑黏性效应和表面张力在单气泡以及双气泡耦合作用过程中的影响.首先将建立的数值模型与Rayleigh-Plesset的解析解进行对比,发现二者符合良好,验证了数值模型的有效性;在此基础上,建立考虑流体弱黏性效应的双气泡耦合模型,研究流体黏性和表面张力作用下,气泡表面变形、射流速度、流场能量转换等物理量的变化规律;最后研究雷诺数和韦伯数对于气泡脉动特性的影响规律.结果表明,流体黏性会抑制气泡脉动和气泡射流发展,降低气泡半径和射流速度;表面张力不改变气泡脉动幅值,但缩短了脉动周期,提升气泡势能.     

弹性微管内气泡的非线性受迫振动

将弹性管壁视为膜弹性结构, 探索在外部声场作用下弹性微管内液柱-气泡-管壁构成耦合振动系统的非线性特征. 利用逐级近似法对系统非线性共振频率、基频和三倍频振动幅值响应、 分频激励共振机理等进行了理论分析. 基频和三倍频振动的幅-频响应数值结果表明: 气泡的轴向共振和管壁共振不能同时出现; 两垂直方向的振动均表现出幅值响应多值性, 进而可能引起系统的不稳定声响应; 三倍频振动在低频区的声响应强于高频区. 关键词： 弹性微管 受迫振动 非线性振动 气泡声响应     

鼓泡床中超声驻波的模拟及其对气泡的调制机理

采用计算流体动力学（CFD）的方法，数值生成了鼓泡床中一对声换能器以16kHz高频振动引发的超声场。数值计算是基于包括粘性影响的可压缩流体基本守恒方程，并耦合了水的状态方程。模拟结果表明，在本研究所用的几何布置和换能器与时间相关的速度入口边界条件下，反应器中形成了一个稳定的驻波声场；由于波的非线性以及水的粘性，压力波节点呈现出轻微的时间漂移性。模拟结果与前人的实验结果定性吻合。在模拟的声压分布的基础上，分析了驻波声场调制气泡的机理。如比较熟知，气泡在驻波声场作用下或者向压力波节点运动或者向压力波腹点运动，取决于气泡尺寸与共振尺寸的关系。     

导电流体中气泡径向振动行为的磁场控制

液态金属中气泡行为是磁流体力学的重要方面。为对磁场条件下导电流体中气泡动力学行为作全面理解,基于磁流体动力学方法建立了磁场条件下导电流体中气泡径向振动的无量纲化动力学方程,数值研究了磁场对导电流体中气泡径向非线性振动稳定性、泡内温度、泡内气压及液体空化阈值的影响。结果显示:磁场增强了气泡非线性振动的稳定性,随着磁场增强且当作用在泡上的电磁力与惯性力数量级可比时,气泡运动为稳定的周期性振动;同时,磁场引起泡内温度、泡内压力及液体空化阈值变化。研究表明,可用磁场调节和控制液态金属中气泡的运动使其满足工程应用需求。      

含气量对液体中空泡声波频谱特性的影响

通过压电陶瓷（PZT）水听器获取了液体中激光空泡脉动辐射的声波,并计算了激光空泡在第1次脉动过程中泡内的含气量,结合空泡含气量对空泡最大半径及脉动周期影响的分析,进而分析了含气量对空泡声波频谱特性的影响。分析结果表明:激光空泡第1次脉动过程中泡内的含气量随着作用激光能量的增加而增加,含气量的多少将直接影响空泡运动的剧烈程度;含气量越多,空泡脉动越缓慢,脉动周期越长,空泡脉动辐射声波的峰值频率有向低频移动的趋势。     

含气量对空泡脉动特性影响的理论研究

分析了含气量对粘性液体中球形单空泡脉动特性的影响。研究结果表明：随着泡内初始含气量的增加,空泡达到最大泡半径的时间延长;空泡膨胀的最大泡半径、收缩的最小泡半径和脉动周期均随初始含气量的增加而增加;同时,空泡膨胀和溃灭时泡壁的运动速度均随空泡初始含气量的变化而变化。无论含气量如何,在空泡收缩到最小泡半径附近,泡壁运动速度（收缩或膨胀）要明显快于其在最大泡半径附近;此外,受液体粘性影响,空泡膨胀和收缩过程明显变缓。